外骨骼机器人助力效率测试技术研究

赵明升，宋遒志，刘亚丽，马珮冬

（1.北京理工大学机电学院，北京100081；2.北京体育大学运动人体科学学院，北京100084）

1 引言

近年来，随着外骨骼机器人研究的不断深入，外骨骼机器人助力效率的测试尤为重要。摄氧量作为人体代谢能量的主要指标之一，在外骨骼机器人助力助行评估方面应用广泛，国内外很多研究人员和研究机构都将摄氧量作为评价外骨骼机器人性能好坏的指标之一，例如美国陆军纳蒂克士兵研究、研发与工程中心、美国麻省理工学院极端仿生学中心和比利时根特大学运动与体育科学系等［1-3］。但是，由于在测试过程中影响摄氧量变化的因素很多，不同的测试方案和测试条件会导致测量结果存在差异，文献［1］研究了使用下肢外骨骼携带负荷对代谢成本的影响，发现与不穿戴外骨骼相比，穿戴外骨骼后，人体的摄氧量随着负载重量的增加而显著增加；文献［4］设计了一款欠驱动外骨骼，研究发现与不穿戴外骨骼背负重物相比，穿戴外骨骼背负重物后代谢成本增加了74%；文献［5］设计了一种无动力踝关节外骨骼，测试发现在自然条件下，该外骨骼使健康的人类使用者的行走代谢成本降低了7.2%；文献［2］研究发现，当穿上由电池供电的双侧踝关节外骨骼行走时，与不使用外骨骼行走相比，受试者的净代谢成本降低了11%。

在行走过程中，人体会消耗代谢能量，改变行走过程中的一些因素，例如行走速度、行走坡度等，人体的代谢能量消耗也会随之改变。文献［6］研究受试者在跑步机上以不同坡度、不同运动速度背负不同负载重量进行行走，使用氧气分析仪测试受试者的氧气浓度，发现随着坡度、运动速度和负载重量的增加，人体的代谢能量消耗增加。文献［7］研究了携带负载对代谢能量消耗的影响，通过呼吸测量法测试了8名成年人背负不同的背包负载（负载重量最高可达体重的40%）以恒定速度行走时的代谢能量消耗，分析结果发现测量值随着负载重量的增加而近似线性增加。还有一些研究也表明了代谢能量消耗随着负载重量的增加而增加［8-9］。

因此，为了探究不同因素如何影响摄氧量，减小在助力效率测试过程中测试方案和测试条件对人体运动摄氧量的影响，并且促进摄氧量指标在外骨骼机器人性能评估方面形成统一的标准，同时也为了研究心率随着这些因素改变的变化情况，这里开展了在行走过程中改变跑步机的坡度、负载重量和呼吸方式等因素对人体运动摄氧量和心率的影响的研究。

2 实验设计

这里设计了包括重复性、坡度、负载重量和呼吸方式等测试，分析研究人体运动摄氧量和心率与测试条件变化情况的关系，测试目的和具体测试内容，如表1所示。表中：n—参与测试的人数。

表1 测试目的和具体测试内容Tab.1 Test Objectives and Details

2.1 受试者和测试仪器

本实验招募9名健康的成年人参加这项研究（N=9，9名男性；年龄=（23.9±1.6）岁；身高=（1.75±0.04）m；体重=（66.8±8.6）kg；平均值±标准差），所有受试者在测试之前都收到了书面知情同意书，并且均同意参加该项研究，期间一些受试者因时间等原因缺席了一些测试。该研究得到了北京体育大学道德伦理委员会的批准。

在测试过程中使用MetaMax 3B 气体分析仪和polar 表对受试者的摄氧量和心率进行采集与分析。

2.2 测试流程

在测试开始之前，受试者需在跑步机上进行适应性行走，直至适应和熟悉跑步机节奏。测试过程中，首先需监测受试者在安静坐姿状态下（空载，即静息状态）5min内的摄氧量和心率，静息状态结束后开始进行在跑步机上的行走测试，行走测试过程中监测受试者的摄氧量和心率，行走测试完成后再继续进行静息8min时的摄氧量和心率的监测，整个测试流程，如图1所示。每位受试者分别进行重复性、坡度、负载重量和呼吸方式等4种行走测试，具体测试内容，如表1所示。每种测试间间隔48h以上进行。测试过程图片，如图2所示。

图1 测试流程Fig.1 Test Process

图2 测试过程图片Fig.2 Test Process Pictures

2.3 数据分析

对于摄氧量数据，分别计算运动前静息5min和运动过程中最后5min摄氧量数据的平均值，来计算每次测试中行走时期的净摄氧量，并通过体重（kg）和总重（受试者的体重+负载重量，kg）对其进行标准化（net VO2BM为通过体重标准化后的净摄氧量数据；net VO2TM为通过总重标准化后的净摄氧量数据），净摄氧量的计算公式，如式（1）所示。

对于心率数据，计算受试者在跑步机上运动过程中最后5min数据的平均值进行分析。

3 测试结果

3.1 重复性测试

重复性测试的数据通过SPSS 软件的单因素方差分析和组内相关系数（ICC）进行检验，通过单因素方差分析可以确定各个测量值之间是否存在显著性差异，通过组内相关系数进行检验可确定各个测量值之间的一致性和可靠性。在进行单因素方差分析之前，需要调整分析数据，使其具有正态分布性、方差齐性，以及各个测量值之间具有相互独立性［10］。对于单因素方差分析，经过检验，摄氧量和心率数据均具有正态分布性和方差齐性，并且由于分析的是净摄氧量数据，所以认为各个数据之间相互独立。摄氧量和心率数据的单因素方差分析检验结果和组内相关系数检验结果，如表2 所示。摄氧量数据的显著性水平P=0.975>0.05，心率数据的显著性水平P=0.747>0.05，认为三次测量之间不存在显著性差异；摄氧量数据的ICC 系数为0.674，心率数据的ICC系数为0.748，均在（0.6～0.8）之间，属于中等一致性。

表2 摄氧量和心率数据的单因素方差分析Tab.2 ANOVA of Oxygen Uptake and Heart Rate Data

3.2 坡度测试

0°和10°坡度下受试者在跑步机上行走时的摄氧量和心率数据，分别如表3和图3所示。从图表中数据可以看出，10°坡度时和数据与0°坡度相比增加了121%，心率数据增加了36%。

表3 2种坡度下摄氧量和心率数据的平均值（标准差）Tab.3 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Gradients

图3 2种坡度下摄氧量和心率数据对比Fig.3 Comparison of the Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Gradients

3.3 负载重量测试

2种不同的坡度（0°和5°）下受试者的摄氧量和心率数据，如表4、表5 和图4 所示。从图表中的数据可以看出，0°坡度下和心率数据随着负载重量的增加近似线性增加，而数据则几乎不变；5°坡度下全部摄氧量和心率数据均随着负载重量的增加而线性增加；同时5°坡度下全部摄氧量和心率数据均比0°坡度下的数据大。

图4 5种负载重量下下受试者的摄氧量和心率数据的对比Fig.4 Comparison of Oxygen Uptake and Heart Rate Under Five Load Weights

表4 0°坡度下摄氧量和心率数据的平均值（标准差）Tab.4 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at 0°Gradient

表5 5°坡度下摄氧量和心率数据的平均值（标准差）Tab.5 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at 5° Gradient

对2种坡度下的摄氧量和心率数据进行独立样本t检验，结果为摄氧量数据的P=0，心率数据的P=0，均<0.05，认为2种坡度下测得的摄氧量和心率数据存在显著性差异。

3.4 呼吸方式测试

正常呼吸（Normal Breathing，NB）和憋气呼吸（Without Breath⁃ing，WB）2种呼吸方式下受试者的摄氧量和心率数据，如表6和图5所示。从图表中数据可以看出，憋气呼吸时摄氧量数据与正常呼吸相比增加了25%，心率数据增加了7%。

图5 2种呼吸方式下摄氧量和心率数据的对比Fig.5 Comparison of Oxygen Uptake and Heart Rate at two Breathing Patterns

表6 2种呼吸方式下摄氧量和心率数据的平均值（标准差）Tab.6 Means（SD）of Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Breathing Patterns

4 讨论与分析

本研究指在研究在外骨骼机器人助力效率测试过程中不同的影响因素对人体运动摄氧量和心率的影响。正式测试前先进行重复性测试，根据重复性测试的结果，通过单因素方差分析得到摄氧量数据的显著性水平P=0.975>0.05，心率数据的显著性水平P=0.747>0.05，所以可判断三次重复性测量结果之间不存在显著性差异，而后又通过组内相关系数对测量结果的一致性进行检验，发现摄氧量数据的单个测量的ICC系数为0.674，心率数据的单个测量的ICC系数为0.748，均在（0.6～0.8）之间，属于中等一致性，所以可以验证所设计的实验方法是可重复的，能避免偶然现象，使单次测量结果真实准确。根据坡度测试的结果，发现在10°坡度的跑步机上行走时，与0°坡度相比，受试者的摄氧量和心率均大幅度增加，这证实了提升行走时跑步机的坡度会使人体消耗更多的能量这一结论，该结果与文献［6］的研究结果一致。

根据负载重量测试的结果，发现在5°坡度行走时全部摄氧量和心率数据都高于在0°坡度行走时的数据，这与前面进行的坡度测试的结果相同。同时进行0°坡度测试时net VO2、net VO2BM和心率数据以及进行5°坡度测试时全部摄氧量和心率数据均随负载重量的增加而近似线性增加，该结论与其他的一些研究［6-9］的结果一致。经过独立样本t检验，摄氧量数据的P=0，心率数据的P=0，均小于0.05，认为2种坡度下测得的摄氧量和心率数据存在显著性差异。从图4中数据曲线的变化趋势可以看出，5°坡度测试时摄氧量和心率数据的增长趋势比0°坡度测试时的数据更具有一致性。根据呼吸方式测试的结果，发现憋气呼吸时，与正常呼吸相比，受试者的摄氧量和心率数据均有所增加，结果证明当人体憋气呼吸时，其摄氧量和心率较正常呼吸时会有所提升，该结果与先前假想的憋气会降低人体的摄氧量水平的结果不符。

5 结论

本研究测试了在行走过程中包括跑步机的坡度、负载重量以及呼吸方式等不同因素对人体运动摄氧量和心率的影响，通过分析总结测试结果，发现在进行摄氧量和心率的测试时，跑步机坡度与负载重量对人体运动摄氧量和心率的影响显著，并且在坡度运动过程中，人体运动摄氧量和心率变化随负载重量的增加呈现一致性的变化规律。此外，运动过程中憋气的呼吸方式会引起代谢能量的增加。除了上述影响因素外，还有一些其它影响因素也会对人体运动时摄氧量和心率产生影响，例如人体行走过程中摆臂幅度、步长步宽以及负载背负方式等。同时由于测试条件和测试人员等因素的影响，本项目中有些测试开展的不到位，还需进一步的深入研究，例如进行坡度测试时增加一些坡度等级，再观察分析其变化情况；测试是在光滑平坦的跑步机上进行的，这跟实际的平地环境不同；测试的负载重量最大值为20kg，大概占体重的30%左右，如果条件允许还需增大负载重量。